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Feinstaub Forscher simulieren Atmosphäre vor der Industrialisierung

Autor / Redakteur: Paul Piwnicki* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Aerosole sind entscheidend für unser Klima. Sie gelangen nicht nur von der Erde in die Atmosphäre, sie bilden sich auch direkt durch chemische Reaktionen. Wie dies in Zeiten vor der Industrialisierung ablief, hat jetzt ein internationales Forscherteam untersucht.

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PSI-Forscher Federico Bianchi an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch, wo er zusammen mit Kollegen die Entstehung von Aerosolen in der Atmosphäre untersucht hat.
PSI-Forscher Federico Bianchi an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch, wo er zusammen mit Kollegen die Entstehung von Aerosolen in der Atmosphäre untersucht hat.
(Bild: Foto: Paul Scherrer Institut/Gilles Martin)

Villigen/Schweiz – Will man verstehen, wie sich das Klima über die letzten Jahrhunderte verändert hat, muss man die klimatischen Bedingungen vor Beginn der Industrialisierung möglichst zuverlässig rekonstruieren. Einen wichtigen Beitrag hat nun ein umfassendes Forschungsprojekt geliefert, an dem Forschende des Cern, des Paul Scherrer Instituts PSI und zahlreicher weiterer Forschungseinrichtungen weltweit beteiligt sind. Dabei haben die Wissenschaftler untersucht, wie sich Feinstaubpartikel oder Aerosole in der Atmosphäre bilden. Aerosole sind für das Klima wichtig, weil sich an den Partikeln Wassertropfen bilden, die sich dann zu Wolken verbinden. Aerosolpartikel entstehen nicht nur unmittelbar – zum Beispiel als Rußteilchen aus der Holzverbrennung oder dem Verkehr – sondern bilden sich zum Teil erst in der Atmosphäre aus den dort vorhandenen Molekülen. Dabei ging man bisher davon aus, dass für diesen zweiten Prozess Schwefelsäure unerlässlich ist und er daher erst seit der Industrialisierung einen relevanten Beitrag liefert. Nun haben die Forschenden gezeigt, dass sich auch aus Stoffen, die von Bäumen ausgedünstet werden, Aerosolpartikel auf diesem Weg bilden. Diese natürlichen Stoffe erzeugen daher schon immer zusätzliche Wolkenkeime. Die Ergebnisse beruhen auf Experimenten an der Cloud-Kammer am Cern, an der sich gezielt verschiedene atmosphärische Bedingungen nachstellen lassen. Parallele Untersuchungen an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch in den Berner Alpen bestätigen außerdem, dass diese Prozesse auch in der realen Atmosphäre auf diese Weise ablaufen. Die Resultate werden koordiniert in drei Artikeln vorgestellt.

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Um die Wirkung menschlichen Handelns für das Klima abzuschätzen, muss man das gegenwärtige Klima mit demjenigen vor Beginn der Industrialisierung vergleichen können. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, zu rekonstruieren, wie viele Wolken es in der Vergangenheit gab und welche Eigenschaften sie hatten. Denn Wolken können Sonnenlicht reflektieren und so das Aufheizen der Erde durch die Treibhausgase in einem gewissen Maß verzögern. Die Bildung von Wolken wird dabei wesentlich durch Aerosole in der Luft bestimmt – kleine Partikel, an denen sich in der Atmosphäre Wassertröpfchen bilden können, die sich dann zu Wolken verbinden. Stehen mehr Partikel zur Verfügung, können sich mehr Tröpfchen bilden, was die Eigenschaften der Wolken verändert. Aerosolpartikel haben verschiedene Quellen – es kann sich zum Beispiel um Körnchen von Wüstenstaub handeln oder um Rußpartikel, die bei der Verbrennung von Holz oder Treibstoff entstehen. Durch einen Prozess, der als Nukleation bekannt ist, können sich zudem Aerosolpartikel erst in der Atmosphäre bilden, wenn sich Gasmoleküle in der Luft verbinden. Dabei ging man bisher davon aus, dass für diesen Prozess Schwefelsäure entscheidend ist, die erst seit Beginn der Industrialisierung in größeren Mengen in der Atmosphäre vorhanden ist.

Aerosole aus der Natur

„Wir konnten nun zeigen, dass Aerosolpartikel, die als Wolkenkeime dienen können, auch aus organischen Stoffen entstehen können, wie sie von Bäumen ausgedünstet werden“, erklärt Urs Baltensperger, Leiter des Labors für Atmosphärenchemie am Paul Scherrer Institut PSI und Mitinitiator des Projekts, der dieses Jahr für seine Forschung zu Aerosolen in der Atmosphäre mit dem Spiers-Preis der Britischen Königlichen Gesellschaft für Chemie ausgezeichnet wurde. „Das bedeutet, dass es auch vor Beginn der Industrialisierung Aerosolpartikel gab, die sich erst in der Atmosphäre gebildet haben. Und damit mehr Aerosol als bisher angenommen.“

„Das heisst nicht unbedingt, dass es damals mehr Wolken gab als bisher gedacht“, fügt Jasmin Tröstl, Forscherin am PSI, hinzu. „Aber die Wolken bestanden wohl aus mehr und kleineren Tröpfchen, sodass sie weißer waren und mehr Licht reflektierten.“ Diese Ergebnisse wurden im Rahmen einer umfangreichen internationalen Forschungszusammenarbeit unter Leitung von Forschenden des Cern und des PSI gewonnen. Ihre Experimente haben die Forschenden an der Cloud-Kammer am Cern und an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch in den Berner Alpen durchgeführt. Die Cloud-Kammer ist ein zylindrisches Gefäß mit 4,3 Metern Höhe und 3 Metern Durchmesser, in dem sich sehr gezielt unterschiedliche Atmosphärenbedingungen nachbilden lassen. In diese Kammer brachten die Forschenden die Substanz Pinen ein, die von Bäumen ausgedünstet wird, und konnten beobachten, wie in der Kammer Aerosolpartikel entstanden.

Aerosolentstehung in zwei Stufen

„Wir haben diesen Prozess auch mithilfe von mathematischen Verfahren beschrieben und können dadurch verstehen, wie diese Partikel entstehen“, erklärt Tröstl. „Das ist insgesamt ein sehr komplizierter Prozess. Zuerst verändern sich die Moleküle des Pinens durch Reaktionen mit Oxidantien wie Ozon, und es entsteht eine Vielzahl ähnlicher, aber leicht verschiedener Moleküle, die unterschiedlich ,klebrig‘ sind.“ Die „klebrigsten“, die sich besonders gut mit anderen Molekülen verbinden, können sich zu winzigen Partikeln zusammenfinden. Das ist der erste entscheidende Schritt, denn die Partikel müssen eine Minimalgröße von rund 1,7 Nanometern erreichen, damit sie nicht einfach wieder verdampfen. Damit sind sie aber noch zu klein, als dass sie als Wolkenkeime wirken könnten; dazu müssen sie rund 50 bis 100 Nanometer groß sein. „Damit die Teilchen weiter wachsen, müssen sich weitere Moleküle anheften – zunehmend sind das auch die weniger ,klebrigen‘, die besser an größeren Partikeln haften und in größeren Mengen vorhanden sind“, so Tröstl. „Diese Ergebnisse sind die wichtigsten, die bisher an der Cloud-Kammer am Cern erzielt worden sind“, betont Jasper Kirkby, Wissenschaftler am Cern und Sprecher des Cloud-Experiments. „Berücksichtigt man in Zukunft Entstehung und Wachstum rein organischer Aerosolpartikel bei der Entwicklung von Klimamodellen, dürfte das wesentlich dazu beitragen, den Einfluss menschlichen Handelns auf die Wolken und das Klima zu verstehen.“

Die beiden Schritte der Entstehung der neuen Partikel werden in den beiden Nature-Artikeln beschrieben. Erstautor des ersten Artikels ist Cern-Forscher Jasper Kirkby, Erstautorin des zweiten ist PSI-Forscherin Jasmin Tröstl.

Aerosole hoch in den Bergen

Unter echten Atmosphärenbedingungen haben die Forschenden die Entstehung der Aerosole an der Forschungsstation Jungfraujoch beobachtet. Auf einer Höhe von über 3500 Metern über dem Meeresspiegel führten die Forschenden Experimente oberhalb der untersten Atmosphärenschicht – der planetaren Grenzschicht – durch. Auf dieser Höhe sind zwar auch Aerosolpartikel der planetaren Grenzschicht zu finden, weil sie mit der aufsteigenden Luft dorthin transportiert werden können. Daneben bilden sich aber auch neue Partikel, von denen man bisher nicht wusste, wie diese entstehen. „Anders als beim Experiment am Cern können wir uns da natürlich nicht auf eine einzelne Substanz als Ausgangsstoff für die Aerosolpartikel beschränken, sondern beobachten alle Stoffe, die dort in der Luft sind“, erklärt Federico Bianchi, der in seiner Zeit als Forscher am PSI an diesem Projekt mitgearbeitet hat und heute an der Universität Helsinki tätig ist. „Dabei haben wir unter anderem zum ersten Mal die Entstehung von Aerosolen aus Schwefelsäure und Ammoniak in freier Natur beobachtet. Aber insbesondere konnten wir sehen, dass sich Aerosolpartikel aus rein organischen Stoffen gebildet haben.“

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So stimmen die Ergebnisse der Messungen an der Cloud-Kammer und auf dem Jungfraujoch überein, dass es Aerosolpartikel mit rein organischen Ausgangsstoffen gibt. „Wir können die Aerosol-Bildung auf dem Jungfraujoch übrigens nur zu bestimmten Zeiten beobachten, denn die Ausgangsmoleküle stammen auch aus den unteren Atmosphärenschichten und es scheint, dass nur innerhalb eines Zeitfensters von circa zwei Tagen nach dem Aufsteigen aus der planetaren Grenzschicht die Bedingungen für diese Aerosol-Bildung günstig sind“, fügt Bianchi hinzu. Die Untersuchungen auf dem Jungfraujoch werden in dem Artikel in Science vorgestellt, dessen Erstautor Federico Bianchi ist.

Synergien zwischen Labor- und Feldexperimenten

Für die Untersuchungen auf dem Jungfraujoch haben die Forschenden dieselben Messinstrumente verwendet wie bei den Messungen an der Cloud-Kammer. Herzstück der Anlage ist ein Massenspektrometer – ein komplexes Gerät, mit dem sich viele tausend verschiedene chemische Substanzen unterscheiden lassen. Das verwendete Gerät wurde von der Schweizer Firma Tofwerk AG in Thun hergestellt. „Das Gerät erlaubt es, die chemische Zusammensetzung im Sekundentakt zu bestimmen“, so Bianchi.

Die Publikationen zeigen auch, wie wichtig es ist, Labor- und Feldexperimente zu verknüpfen. Messungen im Labor erlauben es, einzelne Mechanismen detailliert zu untersuchen, aber nur das Feldexperiment gibt Aufschluss darüber, ob dieser Prozess in der realen Atmosphäre auch relevant ist. „Und“, so Urs Baltensperger, „das Jungfraujoch ist auf Grund seiner Lage, der sauberen Luft und seiner Infrastruktur weltweit einer der besten Standorte, um derartige Prozesse in der realen freien Troposphäre zu untersuchen.“

Originalpublikationen: Ion-induced nucleation of pure biogenic particles; Jasper Kirkby et al.; Nature 26. Mai 2016

The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere; Jasmin Tröstl et al.; Nature 26. Mai 2016

New particle formation in the free troposphere: a question of chemistry and timing; Federico Bianchi et al.; Science 26. Mai 2016

* P. Piwnicki, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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